(57)【要約】【課題】放電プラズマ焼結法を用いたことによって結合材を混入させることなく形成されている合金の表面を超平坦化する。【解決手段】成形型９の母材として、放電プラズマ焼結法を用いたことによって結合材を混入させることなく形成されている合金を使用する。この成形型９の転写面に対しガスクラスターイオンビーム８を照射して当該転写面の表面粗さを低減させる。【選択図】      図１
2007111824.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電プラズマ焼結法を用いたことによって結合材を混入させることなく形成されている合金をワークとして使用し、
前記ワークの表面に対しガスクラスターイオンビームを照射して当該表面の粗さを低減させる工程を有する、
ことを特徴とするワークの加工方法。
【請求項２】
前記合金は、タングステンカーバイド、チタンカーバイド、チタンナイトライド、シリコンカーバイド、シリコンナイトライド、アルミナイトライドのいずれかからなることを特徴とする請求項１に記載のワークの加工方法。
【請求項３】
前記合金は、相対密度が９９％以上であるタングステンカーバイド焼結体を主成分とする超硬合金であることを特徴とする請求項１に記載のワークの加工方法。
【請求項４】
前記工程は、
所定の真空度まで減圧されているチャンバー内に配置されている前記ワークへガスクラスターイオンビームを照射して前記ワークの表面を平坦化する加工工程と、
前記加工工程後の前記ワークの表面の粗さを前記所定の真空度まで減圧されている前記チャンバー内で計測する計測工程と、
前記計測工程の計測結果に基づいて前記ガスクラスターイオンビームの前記ワークへの照射時間を制御する制御工程と、
を有することを特徴とする請求項１に記載のワークの加工方法。
【請求項５】
前記ワークは転写成形に使用する成形型であり、
前記ワークの表面は前記成形型の転写面である、
ことを特徴とする請求項１に記載のワークの加工方法。
【請求項６】
放電プラズマ焼結法を用いたことによって結合材を混入させることなく形成されている合金からなるワークが配置され、所定の真空度まで減圧されるチャンバーと、
前記チャンバー内に配置されたワークの表面に対し、ガスクラスターイオンビームを照射して、ワークの表面の粗さを低減させる照射手段と、
前記チャンバー内に配置され、前記ワークの表面の粗さを計測する計測手段と、
を具備することを特徴とするワークの加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加工技術に関し、特に、ワークの表面の超平坦化の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、光学素子のひとつである光学ミラーは、研磨後のガラスに対し、アルミニウムや銀を蒸着若しくはスパッタリングにて成膜する金属膜コートや誘電体多層膜コート等が施されて製造されている。この製造プロセスは古くから変わらず、始めの工程ではピッチ研磨等によりガラスを磨き、その後に研磨されたガラスを作業者が成膜装置にセットして成膜を行う。このため、多大な工数を要することと加工時間が長いこととにより、大量生産には不向きでありコストが下がらないという課題がある。
【０００３】
この課題を解決する手段として、加工時間が非常に短く加工転写性の高い冷間鍛造や、一度に大量生産ができ加工転写性の高い電鋳などが注目されている。このような冷間鍛造や電鋳等を適用するには、転写成形に使用する成形型の転写面の表面粗さを非常に小さくしておかないと所望の光学ミラーの表面粗さを得ることができない。
【０００４】
一般的に、冷間鍛造に用いる成形型には硬度が高く，破損しにくい超硬合金が使用される。このため、硬度が高いが破損しやすいセラミックスやガラスは使用することができない。また、冷間鍛造に適している超硬合金には、結合材と呼ばれるコバルトやニッケル炭化チタン等のバインダーが通常混入されており、このバインダーと炭化タングステン粒子とが結合して焼結体が製造される。ここで、バインダーの微粒子は炭化タングステンと比較して柔らかいため、この焼結体を研磨すると、先に削られ、あるいは微粒子が脱落してしまい、その結果、研磨面にマイクロメートルオーダの凹部が形成されてしまう。
【０００５】
成形型の転写面の表面粗さを小さくする技術に関し、例えば特許文献１には、成形型等の被加工物の表面に対してガスクラスターイオンビームを照射することにより、その表面を超精密研磨する技術が開示されている。
【特許文献１】特許第３４５１１４０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１には、冷間鍛造用の成形型として使用可能であると考えられるステンレスの金型についての加工実施例である実施例１及び実施例４が記載されている。この記載によれば、実施例１では、研磨前には表面粗さがＲａ＝２０Åであったものが研磨によりＲａ＝８Åとすることができたこと、また、実施例４では、研磨前には表面粗さがＲａ＝２０Åであったものが研磨によりＲａ＝１０Åとすることができたことが報告されている。しかしながら、通常のアルミニウム蒸着光学ミラーにおける表面粗さがＲａ＝約１０Å未満であることを考えると、このようなステンレスの金型を冷間鍛造の成形型として使用しても、成形品である光学ミラーで所望の表面粗さを得ることは困難である。
【０００７】
また、前述したように、冷間鍛造用の成形型の材質として一般的である超硬合金では、バインダーとしてコバルトやニッケルや炭化チタン等の材料が添加されている。このような添加材料は加工速度が各々異なるため、このような超硬合金へガスクラスターイオンビームを照射すると照射表面に微小ながらも凹凸形状を形成してしまう。
【０００８】
超硬合金の成形型の材質についてのこの問題点を更に詳しく調べると、例えば、照射ドーズ量：１×１０17（ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ）でアルゴンのガスクラスターイオンビームを超硬合金に照射した場合には、バインダーの加工速度が炭化タングステンよりも速いため、図６に示すように、バインダーの部位のみに穴が開いてしまう。
【０００９】
このように、不純物が添加されている被加工物に超平坦化した表面を形成することは困難であり、このような微小凹凸形状を有した成形型を用いて冷間鍛造や電鋳等の成形転写を行ったとしても、得られる光学ミラーの機能は十分なものとはならない。
【００１０】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、放電プラズマ焼結法を用いたことによって結合材を混入させることなく形成されている合金の表面を超平坦化することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の態様のひとつである、ワークの加工方法は、放電プラズマ焼結法を用いたことによって結合材を混入させることなく形成されている合金をワークとして使用し、当該ワークの表面に対しガスクラスターイオンビームを照射して当該表面の粗さを低減させる工程を有する、ことを特徴とするものであり、この特徴によって前述した課題を解決する。
【００１２】
なお、上述した本発明に係るワークの加工方法において、当該合金は、タングステンカーバイド、チタンカーバイド、チタンナイトライド、シリコンカーバイド、シリコンナイトライド、アルミナイトライドのいずれかからなるものとしてもよい。
【００１３】
また、上述した本発明に係る成形型の製造方法において、当該合金は、相対密度が９９％以上であるタングステンカーバイド焼結体を主成分とする超硬合金であるものとしてもよい。
【００１４】
また、上述した本発明に係るワークの加工方法において、当該工程は、所定の真空度まで減圧されているチャンバー内に配置されている当該ワークへガスクラスターイオンビームを照射して当該ワークの表面を平坦化する加工工程と、当該加工工程後の当該ワークの表面の粗さを当該所定の真空度まで減圧されている当該チャンバー内で計測する計測工程と、当該計測工程の計測結果に基づいて当該ガスクラスターイオンビームの当該ワークへの照射時間を制御する制御工程と、を有するものとしてもよい。
【００１５】
また、上述した本発明に係るワークの加工方法において、当該ワークは転写成形に使用する成形型であり、当該ワークの表面は当該成形型の転写面であるとしてもよい。
また、本発明の別の態様のひとつであるワークの加工装置は、放電プラズマ焼結法を用いたことによって結合材を混入させることなく形成されている合金からなるワークが配置され、所定の真空度まで減圧されるチャンバーと、当該チャンバー内に配置されたワークの表面に対し、ガスクラスターイオンビームを照射して、ワークの表面の粗さを低減させる照射手段と、当該チャンバー内に配置され、当該ワークの表面の粗さを計測する計測手段と、を具備することを特徴とするものであり、この特徴によって前述した課題を解決する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、以上のようにすることにより、放電プラズマ焼結法を用いたことによって結合材を混入させることなく形成されている合金の表面を超平坦化することができるようになるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施の形態において、同一の部材には同一の符号を付して対応させてある。
【実施例１】
【００１８】
図１は、超平坦加工装置であるガスクラスターイオンビーム加工装置の構成を示している。
同図に示すガスクラスターイオンビーム加工装置は、ソース部１と、差動排気部２と、イオン化部３との３つのチャンバーを有している。ガスクラスターイオンビーム照射前の準備として、これらのチャンバー内から不純物ガス、水、酸素、窒素等を極力排除する必要があるので、これらのチャンバー内は不図示のポンプにより所望の真空度まで減圧されるようになっている。
【００１９】
ソース部１の内部にはノズル部４とスキマー５とが配置されている。ノズル４には不図示のガスボンベから０．６〜１．０ＭＰａ程度の高圧ガスが供給される。このガスとしては、例えばアルゴンガス、酸素ガス、窒素ガス、ＳＦ6 （六フッ化硫黄）ガス，ヘリウムガスの他、炭酸ガスあるいは２種以上を混合したガスを用いることができる。このような高圧ガスが超音速でノズル４から噴出する瞬間の断熱膨張によってガスクラスターイオンが生成され、次に、スキマー５を通過することによってガスクラスターイオンのビーム径を整えられる。
【００２０】
差動排気部２には、ガスクラスターイオンビーム８を開閉するシャッター１１が配設されている。ソース部１を出たときのガスクラスターイオンビーム８は中性ビームであるが、差動排気部２を経由してイオン化部３に入ると、イオン化部３内のタングステンフィラメント６の熱電子の衝突によってイオン化される。
【００２１】
以上のガスクラスターイオンを生成するノズル部４と、熱電子の衝突によってイオン化を行うタングステンフィラメント６とで照射手段を構成している。
ガスクラスターイオンビーム８は加速電極７により加速される。加速電極７の下流側には、転写成形に使用する成形型（ワーク）９が被加工物として配設されている。
【００２２】
成形型９はホルダー１０に取り付けられており、ガスクラスターイオンビーム８が成形型９の転写面に対して垂直に照射するように配設されている。
次に、このガスクラスターイオンビーム加工装置を用いて行う加工の手順を説明する。
【００２３】
まず、図１の装置を使用する前に、放電プラズマ焼結法を用いたことによりバインダー（結合材）を混入させることなく形成されている合金を母材としている成形型９に対し、不図示の超精密研磨加工装置を用いての機械加工による平坦化を行って、成形型９の転写面の表面粗さを低減させておく。
【００２４】
ここで、放電プラズマ焼結法とは、原材料となる粉体に低電圧でパルス状大電流を投入し、火花放電現象により瞬時に発生する放電プラズマ（高温プラズマ：粒子間に瞬間的に生じる数千〜１万℃程度の高温度場）の高エネルギーを利用する焼結方法である。この方法を用いると、炭化物または窒化物を主成分とするバインダーレスの合金を得ることができる。
【００２５】
次に、機械加工により平坦化を施した成形型９の転写面へガスクラスターイオンビームを照射して表面粗さを低減させ、転写面の超平坦化を図る。
より詳しく説明すると、成形型９を図１の装置のホルダー１０に取り付ける。そして、加速電極７に印加する加速電圧やガス種、タングステンフィラメント６に印加するイオン化電子電圧等を設定してガスクラスターイオンビーム８の試し照射を行い、このときに検出されるイオン電流量を不図示のファラデーカップにて測定する。次に、成形型９の転写面に所望の表面粗さを得るための照射ドーズ量を作業者が設定し、下記の理論式より照射時間を算出して照射を行う。
【００２６】
（照射時間）＝（照射ドーズ量×照射面積×電気素量ｅ)／（検出イオン電気量）
………………（１）
上記の（１）式により算出された照射時間に及ぶガスクラスターイオンビーム８の照射が完了したら成形型９を取り出し加工完了とする。
【００２７】
なお、照射ドーズ量の設定では、図２のグラフで例示するような、照射ドーズ量と粗さとの関係を表すデータを事前に取得しておくようにし、この加工データを参考にして、所望の表面粗さを得るための照射ドーズ量の設定を行うようにする。ここで、図２に示したデータにおける粗さＲａは、原子間力顕微鏡を用いて測定することができる。なお、この加工データにおいて表されている照射ドーズ量に対する粗さのデータは、照射材料の材質の違いにより各々異なるが、図２のような曲線を示すことは公知であり、このような加工データを用いて照射条件の照射ドーズ量を設定すること自体は一般的に行われている。
【００２８】
ところで、本実施例で使用する成形型９の母材としては、バインダーを用いない均質な材料であり、具体的にはタングステンカーバイド（ＷＣ）、チタンカーバイド（ＴｉＣ）、チタンナイトライド（ＴｉＮ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリコンナイトライド（ＳｉＮ）、アルミナイトライド（ＡｌＮ）のいずれかからなる合金を用いる。前述したように、コバルト、ニッケル、炭化チタン等のバインダー（結合材）を含有する材料へガスクラスターイオンビームを照射すると、成形型９の主となる物質とバインダーである物質との加工速度が各々異なるために転写面には微小ながらも凹凸形状が形成されてしまう。これに対し、バインダーを用いない上述したような合金を材料とすると、加工速度が同等であるので、ガスクラスターイオンビームの加工原理における、いわゆるラテラルスパッタリング（被加工面に平行な方向のスパッタリング）効果により、超平坦化が図れる。
【００２９】
以上のように、本実施例によれば、放電プラズマ焼結法により形成されているバインダーを用いていない合金である母材における機械研磨された表面位置に対してガスクラスターイオンビームの照射を行う。こうすることにより、被加工面の表面の粗さを低減させることができる。
【００３０】
また、本実施例によれば、冷間鍛造や電鋳等による成形転写用の成形型として利用可能なワークに超平坦面を形成することができる。
【実施例２】
【００３１】
本実施例では、バインダーを用いない成形型９の母材として、放電プラズマ焼結法により形成された相対密度が９９％以上であるタングステンカーバイド（ＷＣ）焼結体を主成分とする超硬合金を用いる。こうすることによって、更なる超平坦化な表面が得られ、更に、母材を構成する超硬合金がタングステンと炭素以外の物質をほとんど含んでいないので、タングステンカーバイドの優れた硬度や抗折力や圧縮強さを十分に発揮することができ、大きな荷重に耐え得る成形型を得ることができる。
【００３２】
本実施例においても、図１に構成を示したガスクラスターイオンビーム加工装置を用いて加工を行う。
まず、図１の装置を使用する前に、上記の超硬合金を材料とする成形型９に対し、不図示の超精密研磨加工装置を用いての機械加工による平坦化を行い、成形型９の転写面の表面粗さをＲａ＝約０．７ｎｍにまで仕上げておく。
【００３３】
次に、機械加工による平坦化の施された成形型９の転写面へガスクラスターイオンビームの照射を行う。
本実施例においては、このときの照射条件として、ガス種をアルゴンガスとし、加速電圧を３０ＫｅＶとし、照射ドーズ量を１×１０17（ｉｏｎｓ／ｃｍ2 ）として約１時間の照射を行い、照射後の転写面を原子間力顕微鏡にて測定した。転写面の照射前の測定結果を図３に示し、照射後の測定結果を図４に示す。
【００３４】
この両図を参照すると、図３からは、機械研磨のスクラッチが多数あること、粗さがＲａ＝約０．７ｎｍであることが判明し、図４からは、機械研磨のスクラッチがきれいに除去されていること、粗さがＲａ＝約０．３ｎｍとなっていることが判明する。従って、本実施例により、表面粗さが約６０％低減していることが分かった。
【００３５】
以上のように、本実施例によれば、成形型の母材として、バインダーを用いずに、放電プラズマ焼結法により形成された相対密度が９９％以上であるタングステンカーバイド（ＷＣ）焼結体を主成分とする超硬合金を用いるようにする。こうすることにより、成形型の表面粗さを更に低減させることができる。
【実施例３】
【００３６】
本実施例においても、図１に構成を示したガスクラスターイオンビーム加工装置を用いて加工を行う。
ここで図５について説明する。同図は、図１に示したガスクラスターイオンビーム加工装置を同図における上方から見た図である。
【００３７】
図１に示したガスクラスターイオンビーム加工装置におけるイオン化部３には計測手段としての計測部１３が配置されている。計測部１３は、成形型９の転写面の表面粗さの計測を行うものであり、計測により得られたデータは外部のＰＣ（パーソナル・コンピュータ）１４で保存ができるように構成されている。
【００３８】
成形型９は、ホルダー１０に取り付けられている。ホルダー１０は、図５に示した矢印に沿った方向に移動可能なステージ１２に取り付けられている。このステージ１２を移動させることにより、所望の真空度まで減圧されているガスクラスターイオンビーム加工装置のチャンバー内を真空状態から大気開放の状態にすることなく、成形型９を計測部１３の位置へと移動させることができ、成形型９の転写面の表面粗さを計測することができる。なお、ステージ１２には不図示のサーボモータあるいはステッピングモータが設けられており、このモータを加工装置の外部から駆動させることでステージ１２を自在に移動させることができる。
【００３９】
本実施例における加工の手順は実施例１におけるものと同様である。但し、本実施例では、照射ドーズ量の設定のために参考とする、照射ドーズ量と粗さとの関係を表すデータの取得を効率良く行うことができる。
【００４０】
まず、照射ドーズ量を任意に設定してガスクラスターイオンビーム８を平面基板９ａへ照射する。なお、平面基板９ａの材質は成形型９と同一のものである。ここで、平面基板９ａを用いる代わりに、成形型９を用いてもよい。この照射が完了したら、ステージ１２を移動させて平面基板９ａを計測部１３の位置へと移動し、平面基板９ａの表面粗さを計測部１３で計測する。このとき得られた計測データはＰＣ１４へと送られて取り込まれる。
【００４１】
以降、照射ドーズ量の設定を任意に変更して照射と計測とを順次繰り返し、得られた計測結果より、照射ドーズ量と粗さとの関係を表す近似式を求める。このようにして得られた関係に基づき、所望の表面粗さを得るための照射ドーズ量の設定を行うことで、前掲した（１）式より必要な照射時間を求めることができる。その後は、所定の真空度まで減圧されているチャンバー内に配置されている成形型９へのガスクラスターイオンビームの照射をこの照射時間に従うように制御することで、成形型９の転写面を平坦化する加工を行う。
【００４２】
以上のように、本実施例によれば、ガスクラスターイオンビーム加工装置のチャンバー内に表面粗さの計測を行う計測部１３を設置している。こうすることにより、チャンバー内を真空状態から大気開放の状態にすることがなくなるので、加工データを効率良く取得することができ、成形型の生産性が向上する。
【００４３】
このように、本発明の各実施例によれば、超平坦面を有する光学素子用成形金型の提供が可能なる結果、成形転写する光学素子の低コスト化が実現可能となる。
その他、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】ガスクラスターイオンビーム加工装置の構成を示す図である。
【図２】照射ドーズ量と粗さとの関係を表すグラフの例を示す図である。
【図３】ガスクラスターイオンビーム照射前の転写面の原子間力顕微鏡での測定結果の例を示す図である。
【図４】ガスクラスターイオンビーム照射後の転写面の原子間力顕微鏡での測定結果の例を示す図である。
【図５】図１に示したガスクラスターイオンビーム加工装置を上方から見た図である。
【図６】バインダーを混入させた超硬合金の成形型へガスクラスターイオンビームを照射したときの照射面の様子を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  ソース部
２  差動排気部
３  イオン化部
４  ノズル
５  スキマー
６  タングステンフィラメント
７  加速電極
８  ガスクラスターイオンビーム
９  成形型
９ａ  平面基板
１０  ホルダー
１１  シャッター
１２  ステージ
１３  計測部
１４  ＰＣ
【図１】
2007111824.tif 000003
【図２】
2007111824.tif 000004
【図５】
2007111824.tif 000005
【図３】
2007111824.tif 000006
【図４】
2007111824.tif 000007
【図６】
2007111824.tif 000008